RU2797580C1 - Static reversible converter for uninterrupted ac and dc consumer supply - Google Patents

Static reversible converter for uninterrupted ac and dc consumer supply Download PDF

Info

Publication number
RU2797580C1
RU2797580C1 RU2022115752A RU2022115752A RU2797580C1 RU 2797580 C1 RU2797580 C1 RU 2797580C1 RU 2022115752 A RU2022115752 A RU 2022115752A RU 2022115752 A RU2022115752 A RU 2022115752A RU 2797580 C1 RU2797580 C1 RU 2797580C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
output
frequency
input
converter
Prior art date
Application number
RU2022115752A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Иванович Глухов
Алексей Артамонович Артамонов
Виктор Михайлович Фролов
Сергей Юрьевич Коваленко
Владимир Иванович Поваренкин
Анатолий Владимирович Бубен
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2797580C1 publication Critical patent/RU2797580C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention is related in particular to voltage converters designed for uninterrupted power supply to AC and DC consumers. Static reversible converter for uninterrupted power supply of AC and DC consumers contains the first input-output port on the DC side with a battery connected to it and the second input-output port on the AC side with an industrial frequency AC voltage source connected to it. The static reversible converter operates in inverter and rectifier modes, set by the control system. In inverter mode, high stabilization of the AC voltage is provided at the input-output port on the AC side, and in rectifier mode, optimal conditions for charging the battery are provided, allowing to increase its service life.
EFFECT: in a static reversible converter, optimal modes of operation of its constituent devices are provided, which makes it possible to achieve high efficiency and reliability of the static reversible converter, as well as its high output.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к статическим обратимым преобразователям, выполняющим функцию источников бесперебойного питания, в которых при выходе из работы основного источника питания в виде источника переменного напряжения промышленной частоты, производится питание потребителей постоянного тока от аккумуляторной батареи, а также потребителей переменного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, сохраненной в аккумуляторной батарее, в энергию трехфазного переменного тока. При нормальной работе основного источника питания переменного тока производится заряд аккумуляторной батареи, а также питание потребителей постоянного и переменного тока.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to static reversible converters that perform the function of uninterruptible power supplies, in which, when the main power source in the form of a power frequency AC voltage source fails, DC consumers are powered from a battery, as well as AC consumers current by converting the DC electricity stored in the battery into three-phase AC energy. During normal operation of the main AC power source, the battery is charged, as well as the supply of DC and AC consumers.

Уровень техникиState of the art

В источниках бесперебойного питания в качестве первичных источников энергии используются (см., например, патент, РФ, №2426215) источник переменного напряжения и источник постоянного тока, в виде аккумуляторной батареи, которая является наиболее критичным звеном в эксплуатации.Uninterruptible power supplies use as primary energy sources (see, for example, patent, RF, No. 2426215) an alternating voltage source and a direct current source, in the form of a battery, which is the most critical link in operation.

На сегодня наиболее широкое применение получили аккумуляторные батареи: никель-водородные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные или литий-полимерные, отличающиеся друг от друга типом используемого электролита (см, например, патент, РФ, №2689887), а также кислотные и щелочные (см, например, патент, РФ, №2729913).Today, rechargeable batteries are most widely used: nickel-hydrogen, nickel-cadmium, nickel-metal hydride, lithium-ion or lithium-polymer, differing from each other in the type of electrolyte used (see, for example, patent, RF, No. 2689887), and also acidic and alkaline (see, for example, patent, RF, No. 2729913).

Для увеличения срока службы аккумуляторных батарей важнейшим условием является обеспечение требуемых зарядных и разрядных характеристик (см. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. Москва, 2003 г.) в диапазоне допустимых значений тока и напряжения.To increase the service life of rechargeable batteries, the most important condition is to ensure the required charging and discharging characteristics (see D.A. Khrustalev. Accumulators. Moscow, 2003) in the range of permissible current and voltage values.

В устройствах бесперебойного питания трехфазные источники переменного напряжения промышленной частоты используют в основном для питания потребителей большой мощности (см., например, патент, РФ, №2426215), при этом, в целях уменьшения массы и габаритов используют аккумуляторную батарею с более низким напряжением по отношению к напряжению источника переменного напряжения промышленной частоты. Следует отметить, что наиболее широко для этих целей в энергетике используют так называемые малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые обладают высокой надежностью и неприхотливы в эксплуатации, а также обеспечивают длительные сроки эксплуатации в буферном режиме - 20 лет и более (см. например, "Сравнение различных типов аккумуляторных батарей". На сайте: http://ess-asimut.ru/upload/iblock/4a9/4a9febfa61b389513f277fc7b0d6b32f.pdf).In uninterruptible power devices, three-phase AC voltage sources of industrial frequency are mainly used to supply high-power consumers (see, for example, patent, RF, No. 2426215), while, in order to reduce weight and dimensions, a battery with a lower voltage is used to the voltage of the power frequency alternating voltage source. It should be noted that the so-called low-maintenance lead-acid batteries are most widely used for these purposes in the energy industry, which are highly reliable and unpretentious in operation, and also provide long service life in buffer mode - 20 years or more (see, for example, " Comparison of different types of batteries". On the website: http://ess-asimut.ru/upload/iblock/4a9/4a9febfa61b389513f277fc7b0d6b32f.pdf).

На сегодня в импульсных преобразователях используются основные компоненты в виде дросселей, конденсаторов, ключей с малым сопротивлением в замкнутом состоянии и трансформаторов, имеющие малые потери. Коэффициент полезного действия η данных устройств составляет не менее 0,8 и может достигать 0,9 и более (см. Импульсные регуляторы напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/6445693/). В современных импульсных преобразователях широкое применение нашли полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), а также высоковольтные быстродействующие силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), работающие в ключевом режиме, позволяющем обеспечить большие мощности и высокий КПД преобразователя, которые управляются широтно-импульсным сигналом (ШИМ) через драйвер от микроконтроллера (см., например, "Транзисторы IGBT" на сайте: https://drives.ru/stati/modul-igbt/; патенты, РФ: №2513547, №2481691). Следует отметить, что полностью отечественные IGBT модули, которые можно использовать для реализации импульсных преобразователей приведены на сайте: https://www.angstrem.ru/company/articles/silovaya_ekb_lineykajpolnostyu_otechestvermykh_igbt_moduley/).Today, switching converters use the main components in the form of chokes, capacitors, switches with low resistance in the closed state and low-loss transformers. The efficiency η of these devices is at least 0.8 and can reach 0.9 or more (see Switching voltage regulators. On the website: https://studfile.net/preview/6445693/). In modern switching converters, insulated gate field effect transistors (MOSFETs), as well as high-voltage high-speed power insulated gate bipolar transistors (IGBTs), operating in a key mode, which allow high power and high efficiency of the converter, which are controlled by a pulse-width signal, are widely used. (PWM) via a driver from the microcontroller (see, for example, "IGBT transistors" on the website: https://drives.ru/stati/modul-igbt/; patents, RF: No. 2513547, No. 2481691). It should be noted that completely domestic IGBT modules that can be used to implement pulse converters are listed on the website: https://www.angstrem.ru/company/articles/silovaya_ekb_lineykajpolnostyu_otechestvermykh_igbt_moduley/).

Известно устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее (патент, РФ, №2221320), содержащее сетевой выпрямитель с входными выводами переменного тока и выходными выводами постоянного тока, которые подключены к входным силовым выводам зарядно-буферного преобразователя, выходные выводы которого подключены к резервной аккумуляторной батарее и первым входным выводам преобразователей постоянного напряжения по числу каналов выходного напряжения.A multi-channel stabilizing uninterruptible power supply device is known (patent, RF, No. 2221320), containing a mains rectifier with AC input terminals and DC output terminals that are connected to the input power terminals of the charge-buffer converter, the output terminals of which are connected to a backup battery and the first input terminals of DC voltage converters according to the number of output voltage channels.

Недостатком данного устройства является то, что в нем не обеспечена возможность рекуперации энергии аккумуляторной батареи в питающую сеть переменного тока.The disadvantage of this device is that it does not provide the ability to recuperate the energy of the battery in the AC supply network.

Известен статический обратимый преобразователь для питания потребителей переменного и постоянного тока (см. патент, РФ, №2513547), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип. Данный прототип статического обратимого преобразователя для питания потребителей переменного и постоянного тока, включает в себя первый порт «входа выхода» на стороне постоянного тока с подключенной к нему аккумуляторной батареей и второй порт «входа-выхода» на стороне переменного тока, для электрической связи портов между ними включены звено высокой частоты и звено автономного инвертора промышленной частоты, последовательно соединенные между собой, причем оба звена используются в инверторном и выпрямительном режимах, при этом в инверторном режиме работы обратимого преобразователя входное питание постоянного тока подается на первый порт, а выход переменного тока снимается со второго порта, а в выпрямительном режиме обратимого преобразователя входное питание переменного тока подается на второй порт, а выход постоянного тока снимается с первого порта, причем звено высокой частоты выполнено на основе однофазных мостовых схем инверторов, соединенных с системой управления, а выходное напряжение переменного тока формируется с помощью трехфазных мостовых схем с выходными LC-фильтрами, при этом, звено высокой частоты выполнено для инверторного режима работы преобразователя в виде комбинированной схемы из параллельно соединенных по входу и последовательно по выходу резонансных нерегулируемых инверторов и инверторов напряжения с выпрямителями, а для выпрямительного режима работы преобразователя оно выполнено в виде комбинированной схемы последовательно соединенных инверторов напряжения по входу и параллельно выпрямителей по выходу.Known static reversible converter for powering consumers of AC and DC (see patent, RF, No. 2513547), which is closest to the proposed invention and taken by the authors as a prototype. This prototype of a static reversible converter for powering AC and DC consumers includes a first input-output port on the DC side with a battery connected to it and a second input-output port on the AC side, for electrical connection of ports between they include a high-frequency link and a link of an autonomous industrial frequency inverter, connected in series with each other, and both links are used in inverter and rectifier modes, while in the inverter mode of operation of the reversible converter, the input DC power is supplied to the first port, and the AC output is removed from the second port, and in the rectifier mode of the reversible converter, the input AC power is supplied to the second port, and the DC output is taken from the first port, and the high frequency link is made on the basis of single-phase bridge circuits of inverters connected to the control system, and the output AC voltage is formed using three-phase bridge circuits with output LC filters, while the high-frequency link is made for the inverter mode of operation of the converter in the form of a combined circuit of resonant unregulated inverters and voltage inverters with rectifiers connected in parallel at the input and in series at the output, and for the rectifier mode of operation converter, it is made in the form of a combined circuit of series-connected voltage inverters at the input and parallel rectifiers at the output.

Недостатком прототипа является то, что в выпрямительном режиме три звена высокой частоты представляющие источники постоянного напряжения, и имеющие разброс по значениям выходных напряжений, соединены между собой выходами, в результате чего, происходит их выравнивание за счет токов короткого замыкания, ограничиваемых внутренним сопротивлением данных источников напряжений, снижая, тем самым, эффективность и надежность их работы, а также коэффициент полезного действия η (η - отношение мощности, отдаваемой на выходе системы, к потребляемой на входе) статического обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока (далее в тексте - статический обратимый преобразователь).The disadvantage of the prototype is that in the rectifier mode, three high-frequency links representing constant voltage sources, and having a spread in output voltage values, are interconnected by outputs, as a result of which they are equalized due to short-circuit currents limited by the internal resistance of these voltage sources , thereby reducing the efficiency and reliability of their work, as well as the efficiency η (η is the ratio of the power delivered at the output of the system to the power consumed at the input) of a static reversible converter for uninterrupted power supply of AC and DC consumers (hereinafter - static reversible converter).

Кроме того, в прототипе не выполняются условия по обеспечению требуемых оптимальных условий заряда аккумуляторной батареи, что снижает ресурс ее работы и в целом эффективность и надежность работы статического обратимого преобразователя.In addition, the prototype does not meet the conditions for ensuring the required optimal conditions for charging the battery, which reduces its service life and, in general, the efficiency and reliability of the static reversible converter.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы статического обратимого преобразователя.The aim of the invention is to improve the efficiency and reliability of the static reversible converter.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Сущность предлагаемого статического обратимого преобразователя заключается в обеспечении в инверторном режиме стабильного напряжения на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока с помощью зарядного преобразовательного устройства, включенного между аккумуляторной батареей и «входом-выходом» первого из двух звеньев высокой частоты, последовательно соединенных через трансформатор, а при заряде аккумуляторной батареи в выпрямительном режиме обеспечиваются требуемые алгоритмы ее заряда оптимальными постоянным зарядным током и постоянным напряжением. Кроме того, устройством преобразователя постоянного напряжения, включенным между «выходом-входом» второго звена высокой частоты и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты, достигаются на «выходе-входе» второго звена высокой частоты требуемые постоянные напряжения в выпрямительном режиме работы, при этом, создаются оптимальные условия по режиму работы звеньев высокой частоты и выбору коэффициента трансформации трансформатора, включенным между ними.The essence of the proposed static reversible converter is to provide a stable voltage in the inverter mode at the "input-output" port on the AC side using a charging converter connected between the battery and the "input-output" of the first of two high-frequency links connected in series through transformer, and when charging the battery in rectifier mode, the required algorithms for its charge are provided with optimal constant charging current and constant voltage. In addition, the DC voltage converter device connected between the “output-input” of the second high-frequency link and the “input-output” of the industrial frequency inverter achieves the required constant voltages in the rectifying mode of operation at the “output-input” of the second high-frequency link, while , optimal conditions are created for the mode of operation of high-frequency links and the choice of the transformation ratio of the transformer included between them.

Примечание - условное обозначение «вход-выход» в устройстве означает, что в инвертируемом режиме он является входом, в выпрямительном режиме - выходом, а условное обозначение «выход-вход» в устройстве означает, что в инвертируемом режиме он является выходом, в выпрямительном режиме - входом.Note - the symbol "input-output" in the device means that in the inverted mode it is an input, in the rectifying mode it is an output, and the symbol "output-input" in the device means that in the inverted mode it is an output, in the rectifying mode - entrance.

Статический обратимый преобразователь включает в себя порт «входа выхода» на стороне постоянного тока, аккумуляторную батарею, потребители постоянного тока, порт «входа-выхода» на стороне переменного тока, источник переменного напряжения промышленной частоты, потребители переменного тока, два последовательно соединенных через трансформатор звена высокой частоты, инвертор промышленной частоты с конденсатором на «входе-выходе» и LC-фильтрами на «выходе-входе».The static reversible converter includes a "in-out" port on the DC side, a battery, DC consumers, an "in-out" port on the AC side, a power frequency AC voltage source, AC consumers, two links connected in series through a transformer high frequency, power frequency inverter with a capacitor at the "input-output" and LC filters at the "output-input".

Введение в статический обратимый преобразователь зарядно-преобразовательного устройства, включенного между аккумуляторной батареей и «входом-выходом» первого звена высокой частоты, а также устройства преобразователя постоянного напряжения, включенного между «выходом-входом» второго звена высокой частоты и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты позволяет повысить эффективность и надежность работы статического обратимого преобразователя.Introduction to the static reversible converter of a charging-converting device connected between the battery and the "input-output" of the first high-frequency link, as well as a DC voltage converter device connected between the "output-input" of the second high-frequency link and the "input-output" of the inverter industrial frequency allows you to increase the efficiency and reliability of the static reversible converter.

Включением зарядно-преобразовательного устройства между аккумуляторной батареей и «входом-выходом» первого звена высокой частоты обеспечивается в инверторном режиме работы статического обратимого преобразователя стабилизация изменяемых напряжений аккумуляторной батареи на «входе-выходе» первого звена высокой частоты в инверторном режиме, при этом, в выпрямительном режиме работы статического обратимого преобразователя по сигналам с датчиков напряжения аккумуляторной батареи и зарядного тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла, зарядно-преобразовательное устройство обеспечивает, по управляющим ШИМ сигналам, формирование требуемых алгоритмов заряда аккумуляторной батареи постоянным оптимальным зарядным током и постоянным напряжением. В результате повышается ресурс и надежность работы аккумуляторной батареи.By turning on the charging-converting device between the battery and the “input-output” of the first high-frequency link, in the inverter mode of operation of the static reversible converter, stabilization of the battery’s variable voltages at the “input-output” of the first high-frequency link in the inverter mode, while in the rectifier mode in the mode of operation of the static reversible converter based on signals from the battery voltage and charging current sensors without breaking the circuit using a Hall sensor, the charging-converting device provides, by PWM control signals, the formation of the required algorithms for charging the battery with a constant optimal charging current and constant voltage. As a result, the resource and reliability of the battery is increased.

Включением между «выходом-входом» второго звена высокой частоты и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты устройства преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающего в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя повышение напряжения по бустерной схеме, а в инверторном режиме работающего в ключевом режиме через открытый транзистор, обеспечивается управление диагоналями моста инвертора звеньев высокой частоты импульсной последовательностью ШИМ с оптимальным коэффициентом заполнения D, в результате чего обеспечивается высокая стабильность формируемых напряжений на их выходах.By connecting between the “output-input” of the second high-frequency link and the “input-output” of the industrial frequency inverter of a DC voltage converter device, which provides a voltage boost according to the booster circuit in the rectifier mode of the static reversible converter, and in the inverter mode it operates in the key mode through an open transistor, control of the diagonals of the inverter bridge of high-frequency links by a PWM pulse sequence with an optimal duty cycle D is ensured, as a result of which high stability of the generated voltages at their outputs is ensured.

Выбором коэффициентов повышения и преобразования зарядно-преобразовательного устройства, а также коэффициента повышения в преобразователе постоянного напряжения, обеспечиваются оптимальные условия по выбору коэффициентов преобразования звеньев высокой частоты и коэффициента трансформации трансформатора.The choice of the increase and conversion factors of the charging-converting device, as well as the increase factor in the DC voltage converter, provides optimal conditions for choosing the conversion factors of high-frequency links and the transformation ratio of the transformer.

Графические иллюстрацииGraphic illustrations

На фиг. 1 приведена общая структурная схема статического обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:In FIG. 1 shows a general block diagram of a static reversible converter for uninterruptible power supply of AC and DC consumers, containing components with positions indicated by numbers:

1 - АБ (аккумуляторная батарея);1 - AB (battery);

1-1 - порт «входа выхода» на стороне постоянного тока;1-1 - port "input output" on the DC side;

2 - потребители постоянного тока;2 - direct current consumers;

3 - первое звено высокой частоты;3 - the first high frequency link;

3-1, 3-2, 3-3, 3-4 - транзисторные ключи звена высокой частоты;3-1, 3-2, 3-3, 3-4 - transistor switches of the high frequency link;

3-5, 3-6, 3-7, 3-8 - диоды звена высокой частоты;3-5, 3-6, 3-7, 3-8 - high frequency link diodes;

4 - второе звено высокой частоты;4 - the second high frequency link;

5 - трансформатор;5 - transformer;

6 - УППН (устройство преобразователя постоянного напряжения);6 - UPPN (DC converter device);

6-1, 6-2 - соответственно первый и второй транзисторы УППН;6-1, 6-2 - respectively, the first and second transistors UPPN;

6-3 - диод УППН;6-3 - UPPN diode;

6-4 - дроссель УППН;6-4 - choke UPPN;

7, 8 - соответственно первый и второй конденсатор;7, 8 - respectively the first and second capacitor;

9 - инвертор промышленной частоты;9 - industrial frequency inverter;

10 - LC-фильтр;10 - LC filter;

11 - источник переменного напряжения промышленной частоты;11 - source of alternating voltage of industrial frequency;

11-1 - порт «входа выхода» на стороне переменного тока;11-1 - port "input output" on the AC side;

12 - потребители переменного тока;12 - AC consumers;

13 - система управления;13 - control system;

14 - ЗПУ (зарядно-преобразовательное устройстве);14 - ZPU (charging-converting device);

14-1, 14-9 - соответственно первый и второй диод ЗПУ;14-1, 14-9 - respectively, the first and second diode ZPU;

14-2, 14-3 - соответственно первый и второй транзистор ЗПУ;14-2, 14-3 - respectively the first and second transistor ZPU;

14-4 - дроссель ЗПУ;14-4 - throttle ZPU;

14-5, 14-6 - соответственно первый и второй конденсатор ЗПУ;14-5, 14-6 - respectively the first and second capacitor ZPU;

14-7 - ДТХ (датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла);14-7 - DTX (current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor);

14-8 - ДН (датчик напряжения);14-8 - DN (voltage sensor);

151 - высокочастотный преобразователь напряжения.15 1 - high-frequency voltage converter.

На фиг. 2 приведены типичные характеристики зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2В.In FIG. 2 shows typical characteristics of the charging process of a lead-acid battery with a nominal voltage of 2V.

На фиг. 3 приведена структурная схема статического обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями, представленными на фиг. 1, а также:In FIG. 3 shows a block diagram of a static reversible converter for uninterruptible power supply of AC and DC consumers, containing components with the positions indicated by numbers shown in FIG. 1 and also:

152…15n - группа ВПН (высокочастотных преобразователей напряжения).15 2 ... 15 n - a group of HPV (high-frequency voltage converters).

В группе 151…l5n число n≥2.In the group 15 1 …l5 n the number n≥2.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Статический обратимый преобразователь для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока включает в себя порт «входа выхода» на стороне постоянного тока 1-1 к которому подсоединены аккумуляторная батарея 1 и потребители постоянного тока 2; порт «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1, к которому подсоединены источник переменного напряжения промышленной частоты 11 и потребители переменного тока 12; два последовательно соединенных через трансформатор 5 звена высокой частоты 3, 4 с идентичными схемами построения, инвертор промышленной частоты 9 с параллельно подключенным к «входу-выходу» конденсатором 8 и с соединенными с его «выходами-входами» одними выводами LC-фильтрами 10, вторые выводы которых подсоединены к порту «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1, кроме того, система управления 13 соединена с звеньями высокой частоты 3, 4 и инвертором промышленной частоты 9.A static reversible converter for uninterrupted power supply of AC and DC consumers includes an "input output" port on the DC side 1-1 to which a battery 1 and DC consumers 2 are connected; port "input-output" on the side of the alternating current 11-1, which is connected to the source of alternating voltage of industrial frequency 11 and consumers of alternating current 12; two high-frequency links 3, 4 connected in series through a transformer 5 with identical construction schemes, a power frequency inverter 9 with a capacitor 8 connected in parallel to the “input-output” and with LC-filters 10 connected to its “outputs-inputs” with one output, the second the outputs of which are connected to the input-output port on the AC side 11-1, in addition, the control system 13 is connected to the high frequency links 3, 4 and the power frequency inverter 9.

1. В устройство (фиг. 1) дополнительно введены зарядно-преобразовательное устройство 14, включенное между аккумуляторной батареей 1 и «входом-выходом» звена высокой частоты 3, а также устройство преобразователя постоянного напряжения 6 с параллельно подключенным конденсатором 7 к его «входу-выходу», параллельно соединенного с «выходом-входом» второго звена высокой частоты 4, при этом «выход-вход» устройства преобразователя постоянного напряжения 6 параллельно соединен с «входом-выходом» инвертора промышленной частоты 9 и содержит дроссель 6-4, ключи, соответственно, на первом 6-1 и втором 6-2 транзисторах, диод 6-3, причем один вывод дросселя 6-4 является положительной шиной «выхода-входа» устройства преобразователя постоянного напряжения 6, а второй соединен с первыми выводами ключей соответственно на первом 6-1 и втором 6-2 транзисторах и анодом диода 6-3, катод которого соединен с вторым выводом ключа на втором транзисторе 6-2 и является положительной шиной «входа-выхода» устройства преобразователя постоянного напряжения 6, а второй вывод ключа на первом транзисторе 6-1 соединен с отрицательной шиной питания устройства преобразователя постоянного напряжения 6; зарядно-преобразовательное устройство 14, содержит датчик напряжения 14-8, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 14-7, соответственно, первый 14-1 и второй диод 14-9, соответственно, первый 14-2 и второй 14-3 транзистор, дроссель 14-4, соответственно, первый 14-5 и второй 14-6 конденсатор, причем первый конденсатор 14-5 и датчик напряжения 14-8 двумя выводами подсоединены параллельно «входу-выходу» зарядно-преобразовательного устройства 14, а третий вывод датчика напряжения 14-8 соединен с системой управления 13, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 14-7 гальванически развязанным способом соединен с проводом, идущим к положительной клемме аккумуляторной батареи 1, а выходом соединен с системой управления 13, дроссель 14-4 одним выводом соединен с положительной шиной «входа-выхода» зарядно-преобразовательного устройства 14, а вторым выводом - с первыми выводами ключей, соответственно, на первом 14-2 и втором 14-3 транзисторах, анодом первого диода 14-1 и катодом второго диода 14-9, анод которого, а также второй вывод ключа на втором транзисторе 14-3 и первый вывод второго конденсатора 14-6 соединены с отрицательной шиной питания зарядно-преобразовательного устройства 14, катод первого диода 14-1, второй вывод ключа на первом транзисторе 14-2 и второй вывод второго конденсатора 14-6 соединены с положительной шиной зарядно-преобразовательного устройства 14; высокочастотный преобразователь напряжения 151, содержащий идентичные по схеме звенья высокой частоты 3, 4, которые содержат транзисторный мост на транзисторах 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 с параллельно подключенными к ним в обратном направлении диодами 3-5, 3-6, 3-7, 3-8, причем вывод последовательно соединенных транзисторов 3-1 и 3-2 соединен с одним выводом первичной обмотки трансформатора 5, а вывод последовательно соединенных транзисторов 3-3 и 3-4 соединен со вторым выводом первичной обмотки трансформатора 5, вторые выводы транзисторов 3-1 и 3-3 соединены с положительной шиной, вторые вывода транзисторов 3-2 и 3-4 с отрицательной шиной питания звена высокой частоты 3, при этом «входом-выходом» высокочастотного преобразователя напряжения 151 является «вход-выход» звена высокой частоты 3, а «выходом-входом» преобразователя напряжения 151 является «выход-вход» звена высокой частоты 4; система управления 13 соединена с зарядно-преобразовательным устройством 14 и устройством преобразователя постоянного напряжения 6.1. In the device (Fig. 1), a charging-converting device 14 is additionally introduced, connected between the battery 1 and the "input-output" of the high-frequency link 3, as well as the DC voltage converter device 6 with a capacitor 7 connected in parallel to its "input- output" connected in parallel with the "output-input" of the second high-frequency link 4, while the "output-input" of the DC/DC converter device 6 is connected in parallel with the "input-output" of the industrial frequency inverter 9 and contains a choke 6-4, keys, respectively, on the first 6-1 and second 6-2 transistors, the diode 6-3, and one output of the inductor 6-4 is the positive "output-input" bus of the DC voltage converter device 6, and the second is connected to the first outputs of the keys, respectively, on the first 6-1 and the second 6-2 transistors and the anode of the diode 6-3, the cathode of which is connected to the second output of the key on the second transistor 6-2 and is the positive input-output bus of the DC/DC converter device 6, and the second output of the key on the first transistor 6-1 is connected to the negative power bus of the DC/DC converter device 6; charging-converting device 14, contains a voltage sensor 14-8, a current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor 14-7, respectively, the first 14-1 and the second diode 14-9, respectively, the first 14-2 and the second 14-3 transistor, inductor 14-4, respectively, the first 14-5 and the second 14-6 capacitor, and the first capacitor 14-5 and the voltage sensor 14-8 are connected in parallel with the “input-output” of the charger-converter 14 with two outputs, and the third output voltage sensor 14-8 is connected to the control system 13, the current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor 14-7 is galvanically isolated in a galvanically isolated way connected to the wire going to the positive terminal of the battery 1, and the output is connected to the control system 13, the throttle 14-4 one output is connected to the positive input-output bus of the charger-converter 14, and the second output is connected to the first outputs of the keys, respectively, on the first 14-2 and second 14-3 transistors, the anode of the first diode 14-1 and the cathode of the second diode 14-9, the anode of which, as well as the second output of the key on the second transistor 14-3 and the first output of the second capacitor 14-6 are connected to the negative power bus of the charger-converter 14, the cathode of the first diode 14-1, the second output of the key on the first transistor 14-2 and the second terminal of the second capacitor 14-6 are connected to the positive bus of the charger-converter 14; high-frequency voltage converter 15 1 containing identical high-frequency links 3, 4, which contain a transistor bridge on transistors 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 with diodes 3-5 connected in parallel to them in the opposite direction , 3-6, 3-7, 3-8, and the output of the series-connected transistors 3-1 and 3-2 is connected to one output of the primary winding of the transformer 5, and the output of the series-connected transistors 3-3 and 3-4 is connected to the second output the primary winding of the transformer 5, the second terminals of the transistors 3-1 and 3-3 are connected to the positive bus, the second terminals of the transistors 3-2 and 3-4 are connected to the negative power bus of the high-frequency link 3, while the "input-output" of the high-frequency voltage converter 15 1 is the "input-output" of the high-frequency section 3, and the "output-input" of the voltage converter 15 1 is the "output-input" of the high-frequency section 4; the control system 13 is connected to the charging-converting device 14 and the DC voltage converter device 6.

2. На фиг. 3 приведена структурная схема статический обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока по фигуре 1 с параллельно подключенной к высокочастотному преобразователю напряжения ВПН 151 группы высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 152…15n. Число n в группе высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 151…l5n: n≥2.2. In FIG. Figure 3 shows a block diagram of a static reversible converter for uninterrupted power supply of AC and DC consumers according to figure 1 with a group of high-frequency voltage converters VPN 15 2 ... 15 n connected in parallel to a high-frequency voltage converter VPN 15 1. The number n in the group of high-frequency voltage converters VPN 15 1 …l5 n : n≥2.

Описание работы статического обратимого преобразователяDescription of the operation of a static reversible converter

1. Описание структурной схема статического обратимого преобразователя по фигуре 1.1. Description of the block diagram of the static reversible converter according to figure 1.

В качестве источника переменного напряжения промышленной частоты 11 может быть промышленная сеть или генератор.As a source of alternating voltage of industrial frequency 11 can be an industrial network or a generator.

В инверторном режиме работы преобразователя постоянный ток подается на порт «входа выхода» на стороне постоянного тока 1-1, а выход переменного тока снимается с порта «входа выхода» на стороне переменного тока 11-1. В выпрямительном режиме входное питание переменного тока подается на порт «входа выхода» на стороне переменного тока 11-1, а выход постоянного тока снимается с порта «входа выхода» на стороне постоянного тока 1-1 для заряда аккумуляторной батареи 1. К аккумуляторной батарее 1 через порт «входа-выхода» на стороне постоянного тока 1-1 подключены потребители постоянного тока, а к источнику переменного напряжения промышленной частоты 11 через порт «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1 подключены потребители переменного тока 12. Как было представлено выше, на сегодня, в основном используют промышленные кислотные аккумуляторные батареи, поэтому при описании предлагаемой заявки, в качестве примера, будем использовать свинцово-кислотную аккумуляторную батарею (аккумуляторная батарея 1) и источник трехфазного напряжения (источник переменного напряжения промышленной частоты 11) с характеристиками, приведенными в прототипе, а именно:In the inverter mode of the converter, DC is supplied to the "in/out" port on the DC side 1-1, and AC output is taken from the "in/out" port on the AC side 11-1. In rectifier mode, the AC input power is supplied to the "in/out" port on the AC side 11-1, and the DC output is taken from the "in/out" port on the DC side 1-1 to charge battery 1. To battery 1 DC consumers are connected through the input-output port on the DC side 1-1, and AC consumers 12 are connected to the power frequency AC voltage source 11 through the input-output port on the AC side 11-1. As was presented above, today, industrial acid batteries are mainly used, so when describing the proposed application, as an example, we will use a lead-acid battery (battery 1) and a three-phase voltage source (commercial frequency AC voltage source 11) with characteristics, given in the prototype, namely:

изменение напряжения аккумуляторной батареи 1 от разряженного до заряженного состояния находится в пределах от 175 до 320 В;change in voltage of the battery 1 from discharged to charged state is in the range from 175 to 320 V;

источник переменного напряжения промышленной частоты 11 - трехфазный с переменным напряжением 380 В.power frequency alternating voltage source 11 - three-phase with an alternating voltage of 380 V.

Из типичных характеристик зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора (см., Алгоритмы заряда свинцово-кислотных батарей. На сайте: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/), представленного на фиг. 2, очевидно, что для обеспечения требуемых условий для заряда аккумуляторной батареи 1 необходимы, как минимум, два датчика, - это датчик выходного напряжения и датчик выходного тока. При этом, алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 1 должен быть следующим:From the typical characteristics of the charging process of a lead-acid battery (see Algorithms for charging lead-acid batteries. On the website: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/), presented in Fig. 2, it is obvious that in order to provide the required conditions for charging the storage battery 1, at least two sensors are required - this is an output voltage sensor and an output current sensor. In this case, the algorithm for the process of charging the battery 1 should be as follows:

в начале при разряженной аккумуляторной батареи 1 необходимый заряд до заданного (максимального) напряжения должен обеспечиваться постоянным током (поддержание оптимального постоянного тока);at the beginning, with a discharged battery 1, the necessary charge to a given (maximum) voltage must be provided by direct current (maintaining an optimal constant current);

затем при достижении заданного (максимального) напряжения на аккумуляторной батарее 1 должен обеспечиваться ее заряд постоянным напряжением (поддержанием заданного постоянного стабилизированного напряжения).then, when the predetermined (maximum) voltage on the battery 1 is reached, it must be charged with a constant voltage (maintaining a predetermined constant stabilized voltage).

Оптимальная величина тока заряда (Iзар.опт.) практически всех типов аккумуляторных батарей должна быть (см., например, патент, РФ, №2702758) приблизительно 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи (Н.Е.) и не превышать 0,3 номинальной емкости аккумуляторной батареи (Н.Е.). Токи менее 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи (Н.Е.) также обеспечивают ее заряд, при этом, следует учитывать, что заряд током менее нижнего порога (приблизительно 0,03 номинальной емкости) практически не приводит к повышению емкости аккумуляторной батареи.The optimal value of the charge current (I charged opt. ) for almost all types of batteries should be (see, for example, patent, RF, No. 2702758) approximately 0.1 of the nominal capacity of the battery (N.E.) and not exceed 0, 3 rated battery capacity (N.U.). Currents less than 0.1 of the nominal capacity of the battery (N.E.) also provide its charge, while it should be borne in mind that charging with a current below the lower threshold (approximately 0.03 of the nominal capacity) practically does not increase the capacity of the battery.

Поэтому в выпрямительном режиме должны обеспечиваться следующие условия:Therefore, in the rectifier mode, the following conditions must be ensured:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

Uвх.зпу - постоянное напряжение на «выходе-входе» зарядно-преобразовательного устройства 14;U vh.zpu - constant voltage at the "output-input" of the charging-converting device 14;

Uаккум.макс - максимальное напряжение заряженной аккумуляторной батареи;U accum.max - the maximum voltage of a charged battery;

Figure 00000002
Figure 00000002

Для реализации инверторного режима работы статического обратимого преобразователя система управления СУ 13 устанавливает транзисторно-диодным модулям первого звена высокой частоты 3 инверторный режим работы, а транзисторно-диодным модулям второго звена высокой частоты 4 выпрямительный режим работы (через диодный выпрямительный мост, при этом, транзисторы закрыты), а также устанавливает инверторный режим работы инвертора промышленной частоты 9. Кроме того, система управления СУ 13 устанавливает зарядно-преобразовательное устройство ЗПУ 14 в режим повышающего напряжения, а устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6 - в ключевой режим через постоянно открытый второй транзистор УППН 6-2.To implement the inverter mode of operation of the static reversible converter, the control system SU 13 sets the transistor-diode modules of the first high-frequency link 3 to the inverter mode of operation, and the transistor-diode modules of the second high-frequency link 4 to the rectifier mode of operation (through the diode rectifier bridge, while the transistors are closed ), and also sets the inverter mode of operation of the industrial frequency inverter 9. In addition, the control system SU 13 sets the charging-converting device ZPU 14 to the step-up voltage mode, and the DC voltage converter device UPPN 6 - to the key mode through the permanently open second transistor UPPN 6 -2.

Для реализации выпрямительного режима работы статического обратимого преобразователя система управления СУ 13 устанавливает транзисторно-диодным модулям первого звена высокой частоты 3 выпрямительный режим работы (через диодный выпрямительный мост, при этом, транзисторы закрыты), а транзисторно-диодным модулям второго звена высокой частоты 4 инверторный режим работы, а также устанавливает выпрямительный режим работы инвертора промышленной частоты 9 (через диоды, при этом, транзисторы закрыты). Кроме того, система СУ 13 устанавливает зарядно-преобразовательное устройство ЗПУ 14 в режим зарядного тока и зарядного напряжения для аккумуляторной батареи 1, обеспечивая заряд аккумуляторной батареи 1 оптимальным стабилизированным током и стабилизированным напряжением, а устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6 устанавливает в режим повышающего постоянного напряжения.To implement the rectifying mode of operation of the static reversible converter, the control system SU 13 sets the transistor-diode modules of the first high-frequency link 3 to the rectifying mode of operation (through the diode rectifier bridge, while the transistors are closed), and to the transistor-diode modules of the second high-frequency link 4 inverter mode operation, and also sets the rectifier mode of operation of the power frequency inverter 9 (through diodes, while the transistors are closed). In addition, the system SU 13 sets the charging-converting device ZPU 14 to the mode of charging current and charging voltage for the battery 1, providing the charge of the battery 1 with an optimal stabilized current and stabilized voltage, and the device of the DC voltage converter UPPN 6 sets it to the step-up DC voltage mode .

Рассмотрим инверторный режим статического обратимого преобразователя. В данном режиме мостовая схема первого звена высокой частоты 3 (типовые высокие частоты выше 20 кГц, фактически в пределах от 40 до 100 кГц), выполненная на основе однофазного инвертора, работает в инверторном режиме (выходное переменное напряжение не превышает напряжения питания), при этом, второе звено высокой частоты 4 работает в выпрямительном режиме.Consider the inverter mode of a static reversible converter. In this mode, the bridge circuit of the first link of high frequency 3 (typical high frequencies are above 20 kHz, in fact, in the range from 40 to 100 kHz), made on the basis of a single-phase inverter, operates in inverter mode (the output AC voltage does not exceed the supply voltage), while , the second link of the high frequency 4 operates in rectifier mode.

Схемы построения первого звена высокой частоты 3 и второго звена высокой частоты 4 идентичны.The construction schemes of the first high frequency link 3 and the second high frequency link 4 are identical.

Описание работы первого звена высокой частоты 3 в инверторном режиме представлено, например: 1. "Мостовой преобразователь с ШИМ". На сайте: https://power-electronics.info/full-bridge.html. 2. Патент, РФ, №2689401).The description of the operation of the first link of the high frequency 3 in the inverter mode is presented, for example: 1. "Bridge converter with PWM". Website: https://power-electronics.info/full-bridge.html. 2. Patent, RF, No. 2689401).

Управлением ШИМ сигналом, формируемым системой управления СУ 13, происходит синхронная коммутация диагонали верхнего транзистора 3-1 и нижнего транзистора 3-4 моста, далее через определенную паузу (для предотвращения сквозных токов), наоборот одновременно включаются нижний транзистор 3-2 и верхний транзистор 3-3 моста, далее опять пауза и процесс повторяется снова. При этом, длительность синхронного включения ключей, определяющей выходное напряжение, меняется в соответствии с коэффициентом заполнения D в импульсной последовательности с ШИМ. Коэффициент заполнения D описывается следующим выражением:By controlling the PWM signal generated by the control system SU 13, the diagonal of the upper transistor 3-1 and the lower transistor 3-4 of the bridge are synchronously switched, then after a certain pause (to prevent through currents), on the contrary, the lower transistor 3-2 and the upper transistor 3 are switched on simultaneously -3 bridges, then pause again and the process repeats again. In this case, the duration of the synchronous switching on of the keys, which determines the output voltage, changes in accordance with the duty cycle D in a pulse sequence with PWM. The fill factor D is described by the following expression:

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

τимп - длительность импульсов в импульсной последовательности с ШИМ;τ imp - pulse duration in a pulse sequence with PWM;

Т - период следования импульсов в импульсной последовательности с ШИМ.T - the period of repetition of pulses in a pulse sequence with PWM.

Диоды 3-5, 3-6, 3-7, 3-8, проводящие ток в обратном направлении, включены параллельно транзисторам 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. Благодаря обратным диодам напряжение на закрытых ключах не может превысить напряжение источника питания и, кроме того, через обратные диоды ключей на стадии паузы протекает ток, «запасаемый» в паразитной индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора 5.Diodes 3-5, 3-6, 3-7, 3-8, conducting current in the opposite direction, are connected in parallel with transistors 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. Thanks to the reverse diodes, the voltage on the closed keys cannot exceed the voltage of the power source and, in addition, a current flows through the reverse diodes of the keys at the pause stage, “stored” in the parasitic leakage inductance of the primary winding of the transformer 5.

Сформированное переменное напряжение первым звеном высокой частоты 3 с его «выхода-входа» через трансформатор 5 с заданным коэффициентом трансформации Ктр, определяемым отношением количества витков на вторичной обмотке к количеству витков на первичной обмотке, через выпрямитель второго звена высокой частоты 4 поступает на «вход-выход» устройства преобразователя постоянного напряжения 6 с параллельно подключенным к нему фильтрующего первого конденсатора 7. В выпрямительном режиме второго звена высокой частоты 4 его транзисторы закрыты и работает только диодный выпрямительный мост (см., например, "Трансформаторы, выпрямители, фильтры". На сайте: https://www.radioradar.net/hand_book/documentation/tran.html).The generated alternating voltage by the first link of high frequency 3 from its "output-input" through the transformer 5 with a given transformation ratio K tr , determined by the ratio of the number of turns on the secondary winding to the number of turns on the primary winding, through the rectifier of the second link of high frequency 4 enters the "input -output" of the device of the DC voltage converter 6 with the filtering first capacitor 7 connected in parallel to it. In the rectifying mode of the second high-frequency link 4, its transistors are closed and only the diode rectifier bridge works (see, for example, "Transformers, rectifiers, filters". On website: https://www.radioradar.net/hand_book/documentation/tran.html).

Коэффициенты преобразования первого 3 (Кпр.1) и второго 4 (Кпр.2) звеньев высокой частоты в инверторном режиме представляют собой отношение выходного выпрямленного постоянного напряжения инвертора к напряжению его питания (Uпит) и соответствуют, без учета коэффициента трансформации трансформатора 5 Ктр, приблизительно равным 0,9•Uпит (с учетом падений напряжений на открытых диагональных ключах инвертора и диодах выпрямительного диодного моста, а также с учетом сдвигов импульсов в ШИМ сигнале для исключения сквозных токов и работы на трансформаторную нагрузку). Поэтому с учетом обратимости в работе звеньев высокой частоты 3, 4 коэффициенты преобразования первого 3 (Кпр.1) и второго 4 (Кпр.2) звеньев высокой частоты, работающих в инверторном режиме, следует выбирать приблизительно равными и близкими к значению 0,9Uпит с запасом на стабилизирующее изменение коэффициента заполнения D ШИМ сигнала, при этом коэффициент трансформации трансформатора 5 Ктр, следует выбирать близким к 1 (для выравнивания звеньев высокой частоты 3, 4 по мощности), что является оптимальными условиями для работы звеньев высокой частоты 3, 4.The conversion coefficients of the first 3 (K pr.1 ) and the second 4 (K pr.2 ) high-frequency links in the inverter mode are the ratio of the output rectified DC voltage of the inverter to its supply voltage (U pit ) and correspond, without taking into account the transformation ratio of the transformer 5 K tr approximately equal to 0.9•U pit (taking into account the voltage drops on the open diagonal keys of the inverter and the diodes of the rectifier diode bridge, and also taking into account pulse shifts in the PWM signal to eliminate through currents and work on a transformer load). Therefore, taking into account the reversibility in the operation of high-frequency links 3, 4, the conversion coefficients of the first 3 (K pr.1 ) and second 4 (K pr.2 ) high-frequency links operating in the inverter mode should be chosen approximately equal and close to the value 0, 9U pit with a margin for a stabilizing change in the duty cycle D of the PWM signal, while the transformation ratio of the transformer 5 K tr should be chosen close to 1 (to equalize the high frequency links 3, 4 in terms of power), which is the optimal conditions for the operation of high frequency links 3 , 4.

Т.е. при выборе оптимальных значений Кпр.1, Кпр.2, Ктр, должны выполняться условия:Those. when choosing the optimal values K pr.1 , K pr.2 , K tr , the following conditions must be met:

Figure 00000004
Figure 00000004

При подаче постоянного напряжения, изменяемого в широком диапазоне, с выхода аккумуляторной батареи 1 непосредственно на «вход-выход» первого звена высокой частоты 3, работающего в инверторном режиме, коэффициент заполнения D ШИМ сигналов, управляющих открытием и закрытием диагональных мостов должен изменяться в широком диапазоне, что отрицательно сказывается на стабилизации формируемого выходного стабилизированного напряжения.When applying a constant voltage that varies over a wide range, from the output of the battery 1 directly to the "input-output" of the first high-frequency link 3, operating in inverter mode, the duty cycle D of the PWM signals that control the opening and closing of the diagonal bridges must change over a wide range , which negatively affects the stabilization of the generated output stabilized voltage.

Для стабилизации напряжения на «входе-выходе» первого звена высокой частоты 3, связанным с изменением напряжения на аккумуляторе 1, в предлагаемом устройстве между аккумуляторной батареей 1 и первым звеном высокой частоты 3 включается зарядно-преобразовательное устройство ЗПУ 14, работающее в инверторном режиме статического обратимого преобразователя в режиме повышающего напряжения по бустерной схеме, обладающей высоким коэффициентом полезного действия η, который достигает более 90% (см., например, "Как работают импульсные преобразователи напряжения". На сайте: https://www.qrz.ru/schemes/contribute/power/kak-rabotajt-impul-snye-preobrazovateli-naprazenia-27-shem.html). В результате обеспечивается высокая стабильность напряжения на «выходе-входе» первого звена высокой частоты 3 и, соответственно, на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1.To stabilize the voltage at the "input-output" of the first link of the high frequency 3, associated with a change in the voltage on the battery 1, in the proposed device between the battery 1 and the first link of the high frequency 3, the charging-converting device ZPU 14 is switched on, operating in the inverter mode of the static reversible booster voltage converter with a high efficiency η, which reaches more than 90% contribute/power/kak-rabotajt-impul-snye-preobrazovateli-naprazenia-27-shem.html). As a result, high voltage stability is ensured at the “output-input” of the first high-frequency link 3 and, accordingly, at the “input-output” port on the AC side 11-1.

Рассмотрим работу зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 в инверторном и выпрямительном режимах статического обратимого преобразователя.Consider the operation of the charging-converting device ZPU 14 in the inverter and rectifier modes of the static reversible converter.

В инверторном режиме ключ на первом транзисторе ЗПУ 14-2 закрыт, а ключ на втором транзисторе ЗПУ 14-3 управляется ШИМ сигналом, формируемым системой управления СУ 13. При открытом ключе на втором транзисторе ЗПУ 14-3 ток от аккумуляторной батареи 1 протекает через дроссель ЗПУ 14-4, запасая в нем энергию. Первый диод ЗПУ 14-1 при этом отсекает (блокирует) второй конденсатор 14-6 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ на втором транзисторе ЗПУ 14-3. Ток в нагрузку (на «вход-выход» первого звена высокой частоты 3) в этот промежуток времени поступает только от второго конденсатора ЗПУ 14-6. Далее, когда ключ на втором транзисторе ЗПУ 14-3 закрывается, электродвижущая сила самоиндукции дросселя ЗПУ 14-4 суммируется с выходным напряжением на втором конденсаторе 14-6 и энергия тока дросселя ЗПУ 14-4 отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение ЗПУ 14 оказывается больше его входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя ЗПУ 14-4 и коэффициентом заполнения ШИМ сигнала, управляемого ключом второго транзистора ЗПУ 14-3.In the inverter mode, the key on the first transistor ZPU 14-2 is closed, and the key on the second transistor ZPU 14-3 is controlled by a PWM signal generated by the control system SU 13. When the key on the second transistor ZPU 14-3 is open, the current from the battery 1 flows through the throttle ZPU 14-4, storing energy in it. The first diode ZPU 14-1 at the same time cuts off (blocks) the second capacitor 14-6 and does not allow it to be discharged through a closed key on the second transistor ZPU 14-3. The current to the load (to the "input-output" of the first link of the high frequency 3) in this period of time comes only from the second capacitor ZPU 14-6. Further, when the key on the second transistor ZPU 14-3 is closed, the electromotive force of self-induction of the throttle ZPU 14-4 is added to the output voltage on the second capacitor 14-6 and the current energy of the throttle ZPU 14-4 is given to the load. In this case, the output voltage of the ZPU 14 is greater than its input by the value determined by the inductance of the inductor of the ZPU 14-4 and the duty cycle of the PWM signal controlled by the key of the second transistor of the ZPU 14-3.

На «выходе-входе» зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 формируется стабилизированное напряжение Uст.1:At the "output-input" of the charging-converting device ZPU 14, a stabilized voltage U st.1 is formed:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Кп.н.1 - коэффициент повышения напряжения ЗПУ 14 в инверторном режиме (отношение напряжения на «выходе-входе» ЗПУ 14 к напряжению на «входе-выходе» ЗПУ 14).where To p.n.1 - the voltage increase factor ZPU 14 in the inverter mode (the ratio of the voltage at the "output-input" ZPU 14 to the voltage at the "input-output" ZPU 14).

При выборе Uст.1 и, соответственно, Кп.н.1 следует учитывать обеспечение "нормального" режима работы бустерной схемы в ЗПУ 14, который заключается в том, что в режиме повышающего напряжения по бустерной схеме, коэффициент заполнения D выбирается не более 0,8…0,9, а коэффициент повышения напряжения Кп.н. для самых высоковольтных вариантов - не более 5 (см., например, "Расчет дросселя бустерной схемы DC DC преобразователя". На сайте: https://skachatvs.com/2000125250/raschet-drosselya-bustemoy-skhemy-dc-dc-reobrazovatelya).When choosing U st.1 and, accordingly, K p.n.1 , one should take into account the provision of a "normal" mode of operation of the booster circuit in ZPU 14, which consists in the fact that in the step-up voltage mode according to the booster circuit, the fill factor D is selected no more 0.8 ... 0.9, and the voltage increase coefficient K p.n. for the highest voltage options - no more than 5 (see, for example, "Calculation of the choke of the DC DC converter booster circuit". On the website: https://skachatvs.com/2000125250/raschet-drosselya-bustemoy-schemy-dc-dc-reobrazovatelya ).

В выпрямительном режиме зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 ключ второго транзистора ЗПУ 14-3 закрыт, а ключ первого транзистора ЗПУ 14-2 работает в режиме управления ШИМ сигналом, который формируется по сигналам датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 14-7, а также датчика напряжения ДН 14-8, поступающими в систему управления СУ 13, обеспечивая требуемые условия заряда аккумуляторной батареи 1 в режиме зарядного тока и в режиме зарядного напряжения. При поступлении импульса с системы управления СУ 13 ключ на первом транзисторе ЗПУ 14-2 открывается, ток через него поступает через сглаживающий дроссель ЗПУ 14-4 в первый конденсатор ЗПУ 14-5, при этом в дросселе ЗПУ 14-4 происходит накопление энергии. При снятии управляющего импульса с ключа на первом транзисторе ЗПУ 14-2, он закрывается, и в контуре: второй диод ЗПУ 14-9 - дроссель ЗПУ 14-4 - первый конденсатор ЗПУ 14-5 начинает протекать ток, вызванный высвобождением накопленной в дросселе ЗПУ 14-4 энергии в первый конденсатор ЗПУ 14-5. Далее цикл повторяется (реализована чопперная схема понижающего напряжения). Дроссель ЗПУ 14-4 и первый конденсатор ЗПУ 14-5 представляют собой Г-образную схему LC-фильтра.In the rectifying mode of the charging-converting device ZPU 14, the key of the second transistor ZPU 14-3 is closed, and the key of the first transistor ZPU 14-2 operates in the PWM signal control mode, which is generated by the signals of the current sensor without breaking the circuit using the Hall sensor DTX 14-7 , as well as the voltage sensor DN 14-8, entering the control system SU 13, providing the required conditions for charging the battery 1 in the charging current mode and in the charging voltage mode. When a pulse is received from the control system SU 13, the key on the first transistor ZPU 14-2 opens, the current through it flows through the smoothing choke ZPU 14-4 into the first capacitor ZPU 14-5, while energy is accumulated in the choke ZPU 14-4. When the control pulse is removed from the key on the first transistor ZPU 14-2, it closes, and in the circuit: the second diode ZPU 14-9 - the throttle ZPU 14-4 - the first capacitor ZPU 14-5 starts to flow current caused by the release of the accumulated in the throttle ZPU 14-4 energy into the first capacitor ZPU 14-5. Then the cycle repeats (a step-down chopper circuit is implemented). Inductor ZPU 14-4 and the first capacitor ZPU 14-5 represent an L-shaped circuit of the LC filter.

При реализации цифрового варианта метода управления по напряжению ключом на первом транзисторе ЗПУ 14-2 с использованием лишь только датчика напряжения ДН 14-8 в реальных условиях эксплуатации аккумуляторной батареи 1 недостаточно, т.к. при включении и выключении заряда в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее 1, может происходить хронический ее недозаряд и преждевременный выход из строя. Для исключения этого в соответствии с типичными характеристиками зарядного процесса (см., Алгоритмы заряда свинцово-кислотных батарей. На сайте: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/) свинцово-кислотного аккумулятора, представленными на фиг. 2, очевидно, что на выходе ЗПУ 14 необходимы датчик тока и датчик напряжения (см., например, "Датчики измерения тока и напряжения для систем автоматизации". На сайте: https://isup.ru/articles/16/1195/). В качестве датчика тока целесообразно использовать датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 14-7 (например, разработанный и выпускаемый заявителем данного изобретения АО «НИИЭМ»: ДТХ-100 ПИГН.411521.007ТУ), который через отверстие в нем "надевается" на провод, идущий к плюсовой клемме аккумуляторной батареи 1. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, не снижающая коэффициент полезного действия η статического обратимого преобразователя. Выходной сигнал датчика тока ДТХ 14-7 подается к входу управления выходным током, а датчика напряжения ДН 14-8 - к входу управления выходным напряжением микроконтроллера в системе управления СУ 13, формирующим ШИМ сигнал для стабилизации зарядного тока и напряжения при заряде аккумуляторной батареи 1.When implementing a digital version of the voltage control method with a key on the first transistor ZPU 14-2 using only a voltage sensor DN 14-8 in real operating conditions, the battery 1 is not enough, because when the charge is turned on and off, depending on the voltage on the battery 1, its chronic undercharging and premature failure may occur. To eliminate this, in accordance with the typical characteristics of the charging process (see, Algorithms for charging lead-acid batteries. On the website: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/) of a lead-acid battery, shown in Fig. 2, it is obvious that a current sensor and a voltage sensor are required at the output of the ZPU 14 (see, for example, "Sensors for measuring current and voltage for automation systems". On the website: https://isup.ru/articles/16/1195/) . As a current sensor, it is advisable to use a current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor DTX 14-7 (for example, developed and manufactured by the applicant of this invention JSC "NIIEM": DTX-100 PIGN.411521.007TU), which is "put on" through the hole in it to the wire going to the positive terminal of the battery 1. This ensures complete galvanic isolation that does not reduce the efficiency η of the static reversible converter. The output signal of the current sensor ДТХ 14-7 is fed to the output current control input, and the voltage sensor DN 14-8 - to the output voltage control input of the microcontroller in the control system SU 13, which generates a PWM signal to stabilize the charging current and voltage when charging battery 1.

В результате обеспечивается следующий требуемый алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 1 (в соответствии с представленным на фиг. 2):As a result, the following required algorithm for the process of charging the battery 1 is provided (in accordance with the one shown in Fig. 2):

вначале при разряженной аккумуляторной батарее 1 обеспечивается ее заряд до максимального напряжения постоянным током (этап 1, фиг. 2), т.е. обеспечивается поддержание оптимального постоянного тока (см. выражение 2);first, when the battery 1 is discharged, it is charged to the maximum voltage by direct current (stage 1, Fig. 2), i.e. maintenance of optimal direct current is ensured (see expression 2);

затем при достижении максимального напряжения на аккумуляторной батарее 1 ее заряд обеспечивается постоянным напряжением (этап 2, фиг. 2). С этого момента ток заряда начинает падать и достигает величины, компенсирующей саморазряд аккумулятора, т.е. заряд аккумулятора переходит в буферный режим (этап 3, фиг. 2), при котором напряжение ограничивается на уровне "плавающего" заряда. При этом, для обеспечения данных условий заряда аккумуляторной батареи 1 на «выходе-входе» зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 должно формироваться напряжение Uст.2:

Figure 00000006
then, when the maximum voltage on the storage battery 1 is reached, its charge is provided by a constant voltage (stage 2, Fig. 2). From this moment, the charge current begins to fall and reaches a value that compensates for the self-discharge of the battery, i.e. the battery charge goes into buffer mode (stage 3, Fig. 2), in which the voltage is limited at the level of "floating" charge. At the same time, in order to ensure these conditions for charging the battery 1, a voltage U st .
Figure 00000006

где Кп.н.2 - коэффициент преобразования ЗПУ 14 в выпрямительном режиме работы обратимого статического преобразователя (отношение напряжения «входа-выхода ЗПУ 14 к напряжению «выхода-входа» ЗПУ 1).where K p.n.2 is the conversion factor of the ZPU 14 in the rectifying mode of operation of the reversible static converter (the ratio of the voltage of the "input-output of the ZPU 14 to the voltage of the "output-input" of the ZPU 1).

С учетом обратимости в работе статического обратимого преобразователя рациональным выбором в инверторном и выпрямительном режимах работы зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 (см., например, "DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated". На сайте: https://www.compel.ru/lib/134297) является обеспечение приблизительного равенства напряжений Uст.1 и Ucт.2, т.е.:Taking into account the reversibility in the operation of a static reversible converter, a rational choice in the inverter and rectifier modes of operation of the ZPU 14 charger-converter (see, for example, "DC / DC converters: principles of operation and unique solutions Maxim Integrated". On the website: https:/ /www.compel.ru/lib/134297) is to ensure the approximate equality of voltages U st.1 and U st.2 , i.e.:

Figure 00000007
Figure 00000007

Инвертор промышленной частоты 9, как и в прототипе, выполнен по трехфазной мостовой схеме на базе транзисторно-диодных модулей типа IGBT (вариант исполнения см., например, "Силовая схема трехфазного инвертора напряжения". На сайте: https://helpiks.org/9-64571.html).The power frequency inverter 9, as in the prototype, is made according to a three-phase bridge circuit based on IGBT-type transistor-diode modules (see, for example, "Power circuit of a three-phase voltage inverter". On the website: https://helpiks.org/ 9-64571.html).

Он выполнен реверсивным, т.е. работает в инверторном и выпрямительном режимах по командам от системы управления СУ 13. Как и в прототипе инвертор промышленной частоты 9 работает совместно с вторым конденсатором 8 и LC-фильтрами 10.It is made reversible, i.e. operates in inverter and rectifier modes on commands from the control system SU 13. As in the prototype, the power frequency inverter 9 works in conjunction with the second capacitor 8 and LC filters 10.

Известно (см., например, " Трехфазные инверторы напряжения". На сайте: https://ozlib.com/849786/tehnika/trehfaznye_invertory_napryazheniya), что соотношение входного постоянного напряжения Uп1 (на «входе-выходе» инвертора промышленной частоты 9) и переменного выходного линейного напряжения Uл в трехфазном инверторе в инверторном режиме описывается выражением:It is known (see, for example, "Three-phase voltage inverters". On the website: https://ozlib.com/849786/tehnika/trehfaznye_invertory_napryazheniya) that the ratio of the input DC voltage U p1 (at the "input-output" of the power frequency inverter 9) and variable output linear voltage U l in a three-phase inverter in inverter mode is described by the expression:

Figure 00000008
Figure 00000008

При этом, соотношение переменного линейного напряжения Uл и выходного постоянного напряжения Uп2 (на «входе-выходе» инвертора промышленной частоты 9) в трехфазном инверторе в выпрямительном режиме описывается выражением (см., например, "Трехфазный мостовой выпрямитель".At the same time, the ratio of the AC linear voltage U l and the output DC voltage U p2 (at the "input-output" of the power frequency inverter 9) in a three-phase inverter in the rectifier mode is described by the expression (see, for example, "Three-phase bridge rectifier".

• На сайте: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel):• On the website: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel):

Figure 00000009
Figure 00000009

Из выражений (8, 9) видно, что значения напряжений в инверторном Uп1 и выпрямительном Uп2 режимах на «входе-выходе» инвертора промышленной частоты 9 различаются. Однако превышение Uп2 над Uп1 недостаточное для выравнивания напряжений на «входе-выходе» звена высокой частоты 3 в инверторном и выпрямительном режимах и, соответственно, обеспечения требуемого процесса заряда аккумуляторной батареи 1.From expressions (8, 9) it can be seen that the voltage values in the inverter U p1 and rectifier U p2 modes at the "input-output" of the industrial frequency inverter 9 are different. However, the excess of U p2 over U p1 is insufficient to equalize the voltages at the "input-output" of the high-frequency link 3 in the inverter and rectifier modes and, accordingly, to ensure the required process of charging the battery 1.

Для обеспечения выравнивания напряжений на «входе-выходе» первого высокочастотного звена 3 и, соответственно, рационального режима работы зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14, а также обеспечения выбранных оптимальных режимов работы высокочастотных звеньев 3, 4 в инверторном и выпрямительном режимах, между «выходом-входом» второго звена высокой частоты 4 и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты 9 включается устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6, обеспечивающее в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя повышение напряжения по бустерной схеме, а в инверторном режиме, работающее в ключевом режиме через постоянно открытый второй транзистор УППН 6-2.To ensure the alignment of voltages at the "input-output" of the first high-frequency link 3 and, accordingly, the rational mode of operation of the charging-converting device ZPU 14, as well as to ensure the selected optimal modes of operation of high-frequency links 3, 4 in inverter and rectifier modes, between the "output - "input" of the second high-frequency link 4 and "input-output" of the industrial frequency inverter 9 turns on the DC voltage converter device UPPN 6, which in the rectifying mode of the static reversible converter increases the voltage according to the booster circuit, and in the inverter mode, operating in the key mode through the permanently open second transistor UPPN 6-2.

Рассмотрим работу устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6.Consider the operation of the DC voltage converter device UPPN 6.

В инверторном режиме первый транзистор УППН 6-1 постоянно закрыт, а второй транзистор УППН 6-2 постоянно открыт для протекания тока с «выхода-входа» второго звена высокой частоты 4 на «вход-выход» инвертора промышленной частоты 9.In the inverter mode, the first transistor UPPN 6-1 is permanently closed, and the second transistor UPPN 6-2 is permanently open for current to flow from the “output-input” of the second high-frequency link 4 to the “input-output” of the industrial frequency inverter 9.

В выпрямительном режиме второй транзистор УППН 6-2 постоянно закрыт, а первый транзистор УППН 6-1 работает в режиме управления ШИМ сигналом, формируемым в системе управления СУ 13.In the rectifying mode, the second transistor UPPN 6-2 is constantly closed, and the first transistor UPPN 6-1 operates in the control mode of the PWM signal generated in the control system SU 13.

Когда ключ на первом транзисторе УППН 6-1 открыт, ток с «входа-выхода» инвертора промышленной частоты 9 протекает через дроссель УППН 6-4, запасая в нем энергию. Диод УППН 6-3, при этом, отсекает первый конденсатор 7 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ на первом транзисторе УППН 6-1. Ток в нагрузку (на «выход-вход» второго звена высокой частоты 4) в этот промежуток времени поступает только от первого конденсатор 7. Далее, когда ключ на первом транзисторе УППН 6-1 закрывается, электродвижущая сила самоиндукции дросселя УППН 6-4 суммируется с выходным напряжением на первом конденсаторе 7 и энергия тока дросселя УППН 6-4 отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение УППН 6 оказывается больше его входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя УППН 6-4 и коэффициентом заполнения D ШИМ сигнала, управляющего ключом первого транзистора УППН 6-1. На «входе-выходе» УППН 6 формируется стабилизированное напряжение Uст.3:When the key on the first transistor UPPN 6-1 is open, the current from the "input-output" of the power frequency inverter 9 flows through the inductor UPPN 6-4, storing energy in it. The diode UPPN 6-3, at the same time, cuts off the first capacitor 7 and does not allow it to be discharged through a closed key on the first transistor UPPN 6-1. The current to the load (to the “output-input” of the second high-frequency link 4) during this period of time comes only from the first capacitor 7. Further, when the key on the first transistor UPPN 6-1 closes, the electromotive force of self-induction of the UPPN 6-4 choke is added to output voltage on the first capacitor 7 and the current energy of the inductor UPPN 6-4 is given to the load. In this case, the output voltage of the UPPN 6 turns out to be greater than its input by an amount determined by the inductance of the UPPN 6-4 inductor and the duty cycle D of the PWM signal that controls the key of the first UPPN transistor 6-1. At the "input-output" of the UPPN 6, a stabilized voltage U st.3 is formed:

Figure 00000010
Figure 00000010

где Кп.н.3 - коэффициент повышения УППН 6, равный отношению значения напряжения на «входе-выходе» УППН 6 к отношению значения напряжения на «выходе-входе» УППН 6.where K p.n.3 is the increase factor of the UPPN 6, equal to the ratio of the voltage value at the "input-output" of the UPPN 6 to the ratio of the voltage value at the "output-input" of the UPPN 6.

В соответствии с выражениями (4, 8, 9, 10) и с учетом обратимости в работе звеньев высокой частоты 3, 4 коэффициенты преобразования первого 3 (Кпр.1) и второго 4 (Кпр.2) звеньев высокой частоты, работающиех в инверторном режиме, выбираются приблизительно равными, тогда (малым напряжением открытого ключа второго транзистора УППН 6-2 пренебрегаем):In accordance with the expressions (4, 8, 9, 10) and taking into account the reversibility in the operation of high-frequency links 3, 4, the conversion coefficients of the first 3 (K pr.1 ) and second 4 (K pr.2 ) high-frequency links operating in inverter mode, are selected approximately equal, then (we neglect the low voltage of the public key of the second transistor UPPN 6-2):

Figure 00000011
Figure 00000011

Из выражения (11) находим коэффициент трансформации Ктр трансформатора 5 и коэффициент Кп.н.3:From expression (11) we find the transformation ratio K tr of the transformer 5 and the coefficient K p.n. 3 :

Figure 00000012
Figure 00000012

В качестве примера работы статического обратимого преобразователя рассмотрим выбор двух оптимальных режимов работы звеньев высокой частоты 3, 4 с учетом условий в выражении (4).As an example of the operation of a static reversible converter, consider the choice of two optimal modes of operation of high-frequency links 3, 4, taking into account the conditions in expression (4).

Первый режим: Кпр=0,8; Ктр=1.The first mode: K PR =0.8; K tr \u003d 1.

Тогда, в соответствии с выражениями (11):Then, in accordance with expressions (11):

Uст=1,53Uл.U st \u003d 1.53U l .

При Uл=380 В получаем. Uст=581,4 В.At U l \u003d 380 V we get. U st \u003d 581.4 V.

В соответствии с выражениями (5, 7) Кп.н.=3,3…1,8.In accordance with expressions (5, 7) K a.s. =3.3…1.8.

В соответствии с выражением (13) Кп.н.3=1,353.In accordance with expression (13) K p.n. 3 = 1.353.

Второй режим: Кпр=0,7; Ктр=1,2.The second mode: K CR =0.7; K tr \u003d 1.2.

Тогда, в соответствии с выражениями (11): Uст=1,458Uл.Then, in accordance with expressions (11): U article =1,458U l .

При Uл=380 В получаем. Uст=554 В.At U l \u003d 380 V we get. U st \u003d 554 V.

В соответствии с выражениями (5, 7) Кп.н.=3,2…1,5.In accordance with expressions (5, 7) K a.s. =3.2…1.5.

В соответствии с выражением (13) Кп.н.3=1,77.In accordance with expression (13) K p.n. 3 = 1.77.

Анализ приведенных двух режимов показывает, что в первом и втором режимах работы звеньев высокой частоты 3, 4 коэффициенты Кп.н. и Кп.н.3 соответствуют "нормальному" режиму работы. Кроме того, для приведенных в качестве примера данных аккумуляторной батареи 1 и источника переменного напряжения промышленной частоты 11, Кп.н. в ЗПУ 14 и Кп.н.3 в УППН 6 позволяют обеспечить выбранные оптимальные условия работы звеньев высокой частоты 3 и 4, обеспечивающими формирование высокой стабильности напряжений на выходах звеньев высокой частоты 3 и 4.The analysis of the above two modes shows that in the first and second modes of operation of high-frequency links 3, 4, the coefficients K a.s. and K p.n.3 correspond to the "normal" mode of operation. In addition, given as an example of the data of the battery 1 and AC power frequency 11, K p. in ZPU 14 and K a.p.

Изменением Кк.н. в ЗПУ 14 и Кп.н.3 в УППН 6 создаются условия для выбора Кпр и Ктр в оптимальном диапазоне.Change K Ph.D. in ZPU 14 and K p.n.3 in UPPN 6 conditions are created for choosing K pr and K tr in the optimal range.

В качестве электронных ключей на транзисторах и диодов в звеньях высокой частоты 3, 4, в зарядно-преобразовательном устройстве ЗПУ 14 и в устройстве преобразователя постоянного напряжения УППН 6 можно использовать, например, мощный высоковольтный полумост на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), например, SEMiX453GB12E4s.As electronic keys on transistors and diodes in high-frequency links 3, 4, in the charging-converting device ZPU 14 and in the DC voltage converter device UPPN 6, you can use, for example, a powerful high-voltage half-bridge on an insulated gate bipolar transistor (IGBT), for example , SEMiX453GB12E4s.

В качестве микроконтроллеров, формирующих ШИМ сигналы в системе управления СУ 13, можно использовать, например, микроконтроллер ST10F276Z5T3.As microcontrollers that generate PWM signals in the control system SU 13, you can use, for example, the ST10F276Z5T3 microcontroller.

2. Описание структурной схема статического обратимого преобразователя по фиг. 3.2. Description of the block diagram of the static reversible converter of FIG. 3.

В параллельно соединенных, идентичных по схемному построению последовательно соединенных через трансформатор 5 двух звеньев высокой частоты 3, 4, с одинаковыми коэффициентами преобразования напряжения Кпр и одинаковыми коэффициентами трансформации Ктр, в точках параллельного соединения данных звеньев создаются выравненные напряжения, практически не вызывающие токи короткого замыкания, которые отрицательно влияют на эффективность и надежность работы высокочастотного преобразователя напряжения ВПН 151, содержащего данные звенья высокой частоты 3, 4. В результате чего, обеспечиваются условия для включения вместо одного высокочастотного преобразователя напряжения ВПН 151, группы параллельно включенных высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 151, 152…15n (n≥2).In parallel-connected, identical in circuit design, connected in series through a transformer 5, two high-frequency links 3, 4, with the same voltage conversion coefficients K pr and the same transformation coefficients K tr , at the points of parallel connection of these links, equalized voltages are created that practically do not cause short-circuit currents circuits that adversely affect the efficiency and reliability of the high-frequency voltage converter VPN 15 1 containing these high-frequency links 3, 4. As a result, conditions are provided for turning on, instead of one high-frequency voltage converter VPN 15 1 , a group of high-frequency voltage converters VPN connected in parallel 15 1 , 15 2 …15 n (n≥2).

Данное параллельное включение группы высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 151, 152…15n позволяет увеличить мощность высокочастотного преобразователя напряжения, а также обеспечить выбор трансформатора 5 с более низкой мощностью.This parallel connection of a group of high-frequency voltage converters VPN 15 1 , 15 2 ...15 n allows you to increase the power of the high-frequency voltage converter, as well as to ensure the choice of transformer 5 with a lower power.

Таким образом, предлагаемый в заявке статический обратимый преобразователь обладает следующими достоинствами:Thus, the static reversible converter proposed in the application has the following advantages:

обеспечивается высокая стабилизация переменного напряжения на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока;provides high stabilization of the AC voltage at the input-output port on the AC side;

обеспечивается оптимальный режим заряда аккумуляторной батареи, увеличивающий срок ее службы;optimal battery charging mode is provided, which increases its service life;

обеспечиваются оптимальные режимы работы составляющих устройств статического обратимого преобразователя, позволяющие достигнуть высокую эффективность и надежность его работы;optimal modes of operation of the constituent devices of the static reversible converter are provided, allowing to achieve high efficiency and reliability of its operation;

выбором коэффициентов преобразования зарядно-преобразовательного устройства и преобразователя постоянного напряжения, обеспечиваются условия для оптимального выбора коэффициента трансформации трансформатора и коэффициентов преобразования звеньев высокой частоты;the choice of conversion factors of the charging-converting device and the DC voltage converter, conditions are provided for the optimal choice of the transformation ratio of the transformer and the conversion factors of high-frequency links;

обеспечивается высокая эффективность и надежность статического обратимого преобразователя, в виду отсутствия токов короткого замыкания для выравнивания напряжений при параллельном соединении высокочастотных преобразователей напряжения;high efficiency and reliability of the static reversible converter is ensured, in view of the absence of short-circuit currents for equalizing voltages when high-frequency voltage converters are connected in parallel;

обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.provides a high efficiency.

Claims (2)

1. Статический обратимый преобразователь для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока, содержащий первый порт «входа-выхода» на стороне постоянного тока с подключенной к нему аккумуляторной батареей и второй порт «входа-выхода» на стороне переменного тока с подключенным к нему источником переменного напряжения промышленной частоты, а также высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий первое и второе звенья высокой частоты в виде двух последовательно соединенных через трансформатор мостовых схем, выполненных на основе идентичных по схеме однофазных инверторов, соединенных с системой управления и инвертором промышленной частоты с фильтром на входе, причем первое и второе звенья высокой частоты, а также инвертор промышленной частоты используются в инверторном и выпрямительном режимах, при этом, в инверторном режиме работы статического обратимого преобразователя входное питание постоянного тока подается на первый порт, а выход переменного тока снимается со второго порта, а в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя входное питание переменного тока подается на второй порт, а выход постоянного тока снимается с первого порта; выходное напряжение переменного тока формируется с помощью инвертора промышленной частоты, выполненного в виде трехфазной мостовой схемы, соединенной с системой управления и через LC-фильтры с источником переменного напряжения промышленной частоты, отличающийся тем, что дополнительно введены зарядно-преобразовательное устройство, включенное между первым портом «входа-выхода» на стороне постоянного тока и первым звеном высокой частоты, соединенное с системой управления и обеспечивающее в инверторном режиме работы статического обратимого преобразователя стабилизацию изменяемых напряжений аккумуляторной батареи на входе первого звена высокой частоты, при этом, в выпрямительном режиме работы статического обратимого преобразователя по сигналам с датчиков напряжения аккумуляторной батареи и зарядного тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла, зарядно-преобразовательное устройство обеспечивает по управляющим ШИМ сигналам формирование требуемых алгоритмов заряда аккумуляторной батареи постоянным оптимальным током и постоянным напряжением, кроме того, между выходом второго звена высокой частоты и инвертором промышленной частоты включено устройство преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающее в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя повышение напряжения по бустерной схеме, а в инверторном режиме работающее в ключевом режиме через открытый транзистор.1. Static reversible converter for uninterrupted power supply of AC and DC consumers, containing the first input-output port on the DC side with a battery connected to it and the second input-output port on the AC side with an AC source connected to it power frequency voltage, as well as a high-frequency voltage converter containing the first and second high-frequency links in the form of two bridge circuits connected in series through a transformer, made on the basis of identical single-phase inverters connected to the control system and a power frequency inverter with an input filter, moreover the first and second high frequency links, as well as the power frequency inverter are used in inverter and rectifier modes, while in the inverter mode of the static reversible converter, the DC input power is supplied to the first port, and the AC output is taken from the second port, and in the rectifier mode in static reversible converter mode, AC input power is supplied to the second port, and DC output is taken from the first port; the output AC voltage is generated using a power frequency inverter, made in the form of a three-phase bridge circuit connected to the control system and through LC filters with a power frequency AC voltage source, characterized in that an additional charger-converter connected between the first port " input-output" on the DC side and the first high-frequency link, connected to the control system and providing, in the inverter mode of operation of the static reversible converter, stabilization of the variable voltages of the battery at the input of the first high-frequency link, while in the rectifier mode of operation of the static reversible converter, signals from the battery voltage and charging current sensors without breaking the circuit using a Hall sensor, the charging-converting device provides the formation of the required algorithms for charging the battery with a constant optimal current and constant voltage, in addition, between the output of the second high-frequency link and the inverter industrial frequency, a DC voltage converter device is included, which provides an increase in voltage according to the booster circuit in the rectifier mode of a static reversible converter, and in the inverter mode it works in a key mode through an open transistor. 2. Статический обратимый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что введено n, где n≥1, дополнительных идентичных высокочастотных преобразователей напряжения, включенных параллельно высокочастотному преобразователю напряжения.2. Static reversible converter according to claim 1, characterized in that n, where n≥1, additional identical high-frequency voltage converters connected in parallel to the high-frequency voltage converter are introduced.
RU2022115752A 2022-06-09 Static reversible converter for uninterrupted ac and dc consumer supply RU2797580C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2797580C1 true RU2797580C1 (en) 2023-06-07

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6160722A (en) * 1999-08-13 2000-12-12 Powerware Corporation Uninterruptible power supplies with dual-sourcing capability and methods of operation thereof
RU2221320C2 (en) * 2001-12-18 2004-01-10 Никитин Игорь Евгеньевич Multichannel no-break regulated power supply
RU2426215C2 (en) * 2008-12-03 2011-08-10 Федеральное космическое агентство Федеральное государственное унитарное предприятие НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ С ЗАВОДОМ имени А.Г. ИОСИФЬЯНА НПП ВНИИЭМ Uninterrupted power supply source for ac loads
RU2513547C1 (en) * 2012-09-07 2014-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Гамем" (ООО Гамем") Static reversible converter for power supply of alternating and direct-current consumers
RU2729913C1 (en) * 2019-08-27 2020-08-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" Method of autonomous power supply of movable car

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6160722A (en) * 1999-08-13 2000-12-12 Powerware Corporation Uninterruptible power supplies with dual-sourcing capability and methods of operation thereof
RU2221320C2 (en) * 2001-12-18 2004-01-10 Никитин Игорь Евгеньевич Multichannel no-break regulated power supply
RU2426215C2 (en) * 2008-12-03 2011-08-10 Федеральное космическое агентство Федеральное государственное унитарное предприятие НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ С ЗАВОДОМ имени А.Г. ИОСИФЬЯНА НПП ВНИИЭМ Uninterrupted power supply source for ac loads
RU2513547C1 (en) * 2012-09-07 2014-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Гамем" (ООО Гамем") Static reversible converter for power supply of alternating and direct-current consumers
RU2729913C1 (en) * 2019-08-27 2020-08-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" Method of autonomous power supply of movable car

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103178733B (en) High-efficiency, three-level, single-phase inverter
US9673719B2 (en) Dual Active Bridge with flyback mode
US9231488B2 (en) Power converter and method for controlling the same
US20180337610A1 (en) PWM Controlled Resonant Converter
KR101741883B1 (en) Power storage and supply system
KR20120068593A (en) Multi-input bidirectional dc-dc converter
TW200410471A (en) Uninterruptible power system
Karshenas et al. Basic families of medium-power soft-switched isolated bidirectional dc-dc converters
CN103236706A (en) Battery energy storage system based on modular multilevel AC-AC (Alternating Current-Alternating Current) converter topology
WO2020248651A1 (en) Off-line phase split device and inverter system
US7495935B2 (en) DC/AC power converter and controlling method thereof
CN116613976A (en) Power conversion circuit, control method thereof, battery pack and energy storage system
KR101865246B1 (en) Changing and discharging apparatus for electric vehicle
Park et al. Battery energy storage system with interleaving structure of dual-active-bridge converter and non-isolated DC-to-DC converter with wide input and output voltage
CN107769389B (en) Battery energy storage system of isolation symmetrical series flyback circuit
WO2019076874A1 (en) A dc-dc converter assembly
RU2797580C1 (en) Static reversible converter for uninterrupted ac and dc consumer supply
WO2013031934A1 (en) Interconnected power system
TW201914184A (en) Power device with an isolated high boost converter and a balance modules for serially connected batteries
US20230322105A1 (en) Charging device and method for operating the charging device
CN211969175U (en) Pre-charging device for high-voltage bus capacitor of new energy automobile
Tulon et al. Designing a Bidirectional Isolated DC/DC Converter for EV with Power Back Operation for Efficient Battery Charging During Neutral Run
RU2794276C1 (en) Uninterruptible power system
Patel et al. A Review of EV Converters Performance during V2G/G2V mode of Operation
RU2796382C1 (en) Static transducer